第三章差动放大器

双门限电压比较器
P1

R R
f
R
f 1
U
R

R R
f
R
1 1
U
om
当输入电压上升到ui=UP1时，输出电压uo发生 跳变，由+Uom跳变为-Uom，
门限电压随之变为： U P 2
R R
f
f

R
U
R

R R
f
1
1

R
U
om
1
当输入电压减小，直至ui=UP2时，输出电压再度跳变， 由-Uom跳变为+Uom。
的现象，称为零点漂移现象，
零点漂移简称零漂。 产生的原因：
如温度的变化，电源电压波动以及电路元件参数的变化等。
缺点:
由于零点漂移的存在，使得输出端既有被放大的真信号， 又有零点漂移产生的漂移信号，当漂移信号可以与输出端的有 用信号相比时，有用信号将被淹没，失去分辩能力。 对于一个多级直接耦合的放大电路，级数越多，放大倍数 越大，零点漂越严重，会造成后级放大电路无法正常工作。
1、单门限电压比较器
电路开环，集成运放工作在非线性区。 ui>UR时，uo=-Uom ui<UR时，uo=+Uom
单门限电压比较器
门限电压为UR 因输入电压只跟一个参考电压UR进行比较，故 此电路称为“单门限电压比较器”。 若UR＝0 过零电压比较器
uo +Uom
0
UR
ui
-Uom
单门限电压比较器的传输特性曲线
共模放大倍数
uoc Ac 0 uic
衡量差动放大器的质量，即差模放大能力和共模抑制能力
共模抑制比
CMRR
Ad Ac
三、 具有电流源的差动放大电路
增大共模放大倍数的思路： 增大RE 用恒流源代替RE （1） 三极管电流源
+VCC RB1 RB2 RE +VCC RC RL I0
IC
特点： 直流电阻为有限值 动态电阻很大 简化画法
共模抑制比CMRR
开环差模电压放大倍数
Auo
开环差模电压放大倍数简称“开环增益”，开环 状态下，输出电压Uo与输入差模电压（Ui1-Ui2）之比， 即Auo=Uo/（Ui1-Ui2）。Auo越大，器件的性能越稳定， 其运算精度也就越高。
输入失调电压Uio
输入电压为零时，为使输出电压为零，在输入端附 加一个的补偿电压，该电压叫做输入失调电压（Uio）。
2、工作原理
（1）静态
IC1
IB1 + UC1 IE1 2IE
+ uo
+
IC2 IB2
UC2 IE2
直流通路
ui=0
ui1=ui2=0
IB1=IB2
IC1=IC2
IE1=IE2
UC1=UC2
uo = UC1 – UC2 = 0
（2）动态分析
1） 差模输入
+
ib1
ui1
+
ic1
+ +
uod
+
ic2 i b2
uo1 uo2 ie1 ie=0 ie2
ui 差模输入
+
ui2 -
差模输入放大电路 大小相同 极性相反
ui1 = – ui2
差模输入电压
uid = ui1 – ui2 = 2ui1 使得： ib1 = – ib2 ic1 = – ic2 ie1 = – ie2
ie = 0
uo1 = – uo2
uod = uc1 – uc2 = uo1 – （ – uo2）=2uo1 uod Ad 差模电压放大倍数 =Ad1 uid
第三章
§3-1
集成运算放大器及其应用
差动放大电路
§3-2
§3-3
集成运算放大器概述
集成运算放大器的基本电路
§3-4
§3-5
集成运算放大器的应用电路
集成运放的使用常识
§3-1 差动放大电路
直接耦合放大路：可放大直流信号和缓慢变化信号
一、零点漂移
零点漂移现象：
输入电压为零、输出电压不为 零 在阻容耦合和变压器耦 合放大电路中，也存在 零点漂移，但这种缓慢 的漂移信号不会传递到 下一级被进一步放大。
ui2 = 0
ui1 使：
uo1
Rf ui1 R1
ui1 = 0
（ ui2 使： u o 2 1
R R
f
f
）（
1
R2
R
3
R
） i2 u
3
则： 减法运算电路 平衡电阻： R1//Rf=R2//R3
u
o
u o1 u o2 (1
R R
)(
R R
2
3
1

R
) ui 2
3
非线性区
uo与ui是线性关系，即
uo Auoui Auo (uN uP )
uo为有限值
线性区
u N uP 0
0
非线性区
ui
即u N uP rid iN iP 0
“虚短”
“虚断”
-Uom -Uom 电压传输特性
“虚短”不成 “虚断”仍成 立 立
uo只有两种可能，即+Uom和Uom
RC R1 RC +VCC
（2）具有恒流源 的差动放大电路 电流源代替 差动电路中 的RE
ui1
uod
IC3
V1
V2 ui2
uod
RC
V3
R3 VEE
ui1
R2
V1
I0 VEE
V2 ui2
§3-2
集成运算放大器概述
使集成运放具有较强的放大 能力。通常由多级共射极放 大器构成。
通常是具有较高输入电阻和较高 放大倍数的差动放大器，利用它 可以使集成运放获得尽可能高的 共模抑制比。
二、集成运放的封装和分类
1、封装
集成运放封装有塑料双列直插式、陶瓷扁平、金属圆壳 封装等多种。
2、分类
通用型 ： 低功耗型、高精度型、高速型、宽带型、高 专用型 ： 阻型、高压型、低漂移型、低噪声型、大功 率型等。
三、集成运放的主要参数
开环差模电压放大倍数
Auo
输入失调电压Uio
输入失调电流Iio 输入偏置电流IiB 最大差模输入电压Uidm 最大共模输入电压Uicm 差模输入电阻 rid 开环输出电阻ro
uo
+Uom
0
来自百度文库UP2
UP1
ui
-Uom
双门限电压比较器的传输特性曲线
两个门限电压之差称为回差电压，用ΔUP表示。
U P U P1 U P 2 R1 U om Rf 2 R1
回差电压与参考电压无关
当输入电压ui因受干扰或含有噪 音信号时，只要变化幅度不超过
回差电压，输出电压就不会在此
高质量产品Uio一般在1mv以下。
输入失调电流Iio
在输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差，
即Iio=IiB1-IiB2。一般在0.01～0.1mA范围内，此值越小
越好。
输入偏置电流IiB
当输入信号为零时，两输入端所需的静态基极电
流的平均值，即IiB=（IiB1+IiB2）/2。一般情况在1mA以
抑制零点漂移是直接耦合放大器的突出问题
解决的办法： 采用差动放大电路
二、基本差动放大电路
1、电路组成
+VCC
+ + +
uo -
特点：
a. 两个输入端,两个输出端
b. 元件参数对称
ui1 ui
R
-
+
RE R -VEE
c. ui1 = ui2 时, uo = 0 能有效地克服零点漂移
ui2
-
基本差动放大电路
平衡电阻： R2 = R1 // R f
Rf Auf 1 R1
特点： 1. 为深度电压串联负反馈， Auf = 1 + Rf /R1 2. uP = uN ，“虚短”仍成立，但 “虚地”不成立
特殊地：
当 R1 = ，Rf = 0 时， Auf = 1
跟随器
同相器
§3-4
集成运算放大器的应用电路
if i1 + i2
uo ui1 ui2 Rf R1 R2
ui1 ui2 uo Rf ( ) R1 R2
加法运算电路
平衡电阻： R ' R1 // R2 // R f 若 Rf = R1= R2
则
uo = （ui1+ ui2）
2、减法运算电路
同相比例运算放大电路 和 反相比例运算放大电路 组合 利用叠加原理
一、信号运算电路 二、电压比较器
线性应用：
电路引入了负反馈，集成运放工作在线性区。
非线性应用：
电路开环或引入了正反馈，集成运放工作在非线性区。
分析集成运放应用电路的基本步骤是：
（1）判断集成运放的工作区域。 （2）根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路进行 分析。
一、信号运算电路
1、加法运算电路
单门限电压比较器可实现波形的变换
ui
单门限电压比较器
0 t
把正弦波变为矩形波 单门限电压比较器的特点： 电路结构简单、灵敏度高，但是抗干扰能力差
2、双门限电压比较器
输出电压uo经Rf和R1分压加到同相输入端，为 电路引入了正反馈 集成运放工作在非线性区。
当uo=+Uom时，门限电压用UP1表示
U
下。IiB越小零漂越小。
最大差模输入电压Uidm
正常工作时，在两个输入端之间允许加载的最大差
模电压值，使用时差模输入电压不能超过此值。
最大共模输入电压Uicm
两输入端之间所能承受的最大共模电压。如果共模输 入电压超过此值，集成运放的共模抑制性能明显下降，甚
至造成器件的损坏。
差模输入电阻
当电源极性反接时，相应
二极管便截止
防止电源极性接反电路
2、输入保护电路
利用二极管的限幅特性
双端输入保护电路 单端输入保护电路
差模输出电压
2） 共模输入
+VCC
RC
V1 ui1 ie1 uC1
uod uC2
RC
共模输入
ui1 = ui2
大小相同 极性相同
V2
共模输入电压
ui2
uic = ui1 = ui2
ue = 2ie1RE
ie2 RE -VEE
使得:
ie1 = ie2
共模输出电压
uoc = uc1 – uc2=0
共模信号交流通路 3）共模抑制比
2. 反相输入信号时，uP = uN= 0
“虚地”
特殊地：
当 R1 = Rf 时， Auf = -1
反相器
反相器
2、同相比例运算放大电路
if
i1
“虚短” “虚断”
u i u o ui R1 Rf
u N u P ui
i1 if
Rf uo (1 )ui R1
同相比例运算放大电路
rid
两输入端加入差模信号时的交流输入电阻。此值 越大，集成运放向信号源索取的电流越小，运算精度 越高。
开环输出电阻ro
开环时的动态输出电阻。ro越小带载能力越强。
共模抑制比CMRR
综合衡量运放的放大能力和抑制共模的能力。 CMRR越大越好。
§3-3
集成运算放大器的基本电路
一、集成运放的理想化 二、集成运算放大器的两种基本电路
二、集成运算放大器的两种基本电路
1、反相比例运算放大电路 if u “虚短” N uP 0 “虚地” i1 “虚断” i1 if
u u R
i 1 N
uN
uo
f
R
反相比例运算放大电路
uo Rf Auf ui R1
平衡电阻： R2 = R1 // R f
特点：1.为深度电压并联负反馈， Auf = Rf / R 1
R u R
f 1
i1
当R1=R2， Rf=R3时，上式简化为
u
o

R (u R
f 1
i2
u i1)
减法运算实际是差分电路 如果取Rf=R1，则
uo=ui2-ui1
输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算。
二、电压比较器
集成运放工作在非线性区时，电路开环或引入了正反馈。 uP>uN时，uo=+Uom （高电平） uP<uN时，uo=-Uom （低电平）
一、集成运算放大电路组成
输入级 中间级
输出级
为各级提供所 需的稳定的静 态工作电流。
偏置电路 为负载提供一定幅度的信号电压 和信号电流。一般采用输出电阻 组成框图 很低的射极输出器或由射极输出 器组成的互补对称功放电路。
电路符号
反相输入端 输出端
同相输入端
实际上集成运放的引出端不止三 个，但分析集成运放时，习惯上 只画出图示中的三个端，其他接 线端各有各的功能，但因对分析 没有影响，故略去不画。
一、集成运放的理想化 1.理想集成运放的基本 概念
（1）开环差模电压放大倍数Auo→∞
（2）差模输入电阻rid→∞ （3）开环输出电阻ro→0 （4）共模抑制比CRMM →∞ （5）没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也为零。
理想集成运放的符号
2.理想集成运放的电压传输特性
集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为电压传输特性。 uo +Uom +Uom
期间发生频繁地跳变，而仍保持 为比较稳定的输出电压波形
双门限电压比较器的抗干扰作用
§3-5
1、调零
集成运放的使用常识
一、正确使用集成运放
外接调零电位器的调零电路
同相输入调零 反相输入调零
外加补偿电压的方法进行调零的电路
2、消除自激振荡
二、集成运放的保护电路
1、防止电源极性接反
二极管V1、V2串入集 成电路直流电源电路中，